作為WSN移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的履帶機(jī)器人路徑跟蹤控制研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用可以有效降低工作量，提高農(nóng)業(yè)管理智能化水平。然而，傳統(tǒng)WSN節(jié)點(diǎn)位置保持固定，缺乏靈活性和局部執(zhí)行力。
　　移動(dòng)機(jī)器人具備較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，可以攜帶多種高精度傳感器，能夠執(zhí)行復(fù)雜算法、完成更復(fù)雜的任務(wù)。將移動(dòng)機(jī)器人和WSN結(jié)合，不僅可以使WSN在局部范圍內(nèi)具有一定的計(jì)算能力和執(zhí)行力，還可以輔助WSN進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃和維護(hù)任務(wù)，完成較復(fù)雜的決策和管理

2、工作。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)既可作為采集點(diǎn)，也可作為匯聚點(diǎn)。當(dāng)某一固定路由節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可代替其繼續(xù)工作，改善WSN性能。
　　然而，履帶機(jī)器人在復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，由于受到地面土質(zhì)、田墑規(guī)劃以及自身機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)變化等因素的影響，會(huì)發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，使得其運(yùn)行路徑存在偏差。為了量化性地反映出滑動(dòng)現(xiàn)象，需要對(duì)滑動(dòng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)算和控制，以實(shí)現(xiàn)履帶機(jī)器人的路徑跟蹤，保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。為此，本文的主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　1．闡

3、述了 WSN和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的功能需求進(jìn)行了分析，確定了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。從軟、硬件兩個(gè)方面完成了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)；焊接制作了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的PCB電路，定義了WSN節(jié)點(diǎn)間的通信協(xié)議，同時(shí)，搭建了ARM嵌入式Linux系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境，編寫測(cè)試了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序；配置和搭建了用以獲取履帶機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)的差分 GPS定位系統(tǒng)，并分析了坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，給出了坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換關(guān)系式和計(jì)算實(shí)例。
　　2．為了保

4、證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在農(nóng)田環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行，準(zhǔn)確、高效地完成故障節(jié)點(diǎn)替換和信息采集任務(wù)，針對(duì)影響履帶機(jī)器人路徑跟蹤效果的滑動(dòng)問題進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析建模，提出了基于無損卡爾曼濾波（Unscented Kalman Filter，UKF）算法和滑模觀測(cè)器（Slide Mode Observer，SMO）的滑動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法。利用UKF算法對(duì)履帶機(jī)器人的狀態(tài)和測(cè)量方程進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的姿態(tài)重建。構(gòu)建了以雙曲正切函數(shù)作為切換函數(shù)的履帶機(jī)器人滑動(dòng)參數(shù)SM

5、O，減弱了SMO符號(hào)切換函數(shù)引起的抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑動(dòng)參數(shù)的精確計(jì)算。仿真結(jié)果表明：該計(jì)算方法可以獲取準(zhǔn)確及高更新率的滑動(dòng)量，為農(nóng)用履帶機(jī)器人的路徑跟蹤控制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；
　　3．針對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)易因自身結(jié)構(gòu)參數(shù)變化和外部干擾而影響其控制精度的特點(diǎn)，將模糊控制和滑?？刂疲⊿lide mode control，SMC）結(jié)合，提出了基于二維模糊理論的履帶機(jī)器人自適應(yīng)模糊滑模控制（Fuzzy slide mode control，F(xiàn)

6、SMC）方法，削弱了干擾因素對(duì)控制系統(tǒng)精度的影響，減少了履帶機(jī)器人在兩種農(nóng)田環(huán)境：草地和松軟土地中的滑動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的路徑跟蹤控制。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)滑?？刂茖?duì)比，F(xiàn)SMC具有更顯著的自適應(yīng)性、高效性和魯棒性。
　　4．測(cè)試了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以按照設(shè)計(jì)協(xié)議與 WSN的協(xié)調(diào)器和服務(wù)器進(jìn)行正常通信，數(shù)據(jù)采集和傳輸無誤；兩種農(nóng)田環(huán)境中，不管移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎還是直線運(yùn)行，F(xiàn)SMC的路徑跟蹤軌跡都較為平滑，與預(yù)設(shè)路